CN110829036A - 一种超薄超宽带电磁波吸收体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超薄超宽带电磁波吸收体，包括若干个呈矩形周期排布的方形介质基底单元、设置在介质基底单元上表面的金属单元和设置在介质基底单元下方的金属板，所述金属单元包含四个相同的L形金属条，所述L形金属条的相互垂直的两金属段内分别焊接有贴片电阻，任一L形金属条以所在方形介质基底单元中心为旋转中心，依次旋转90°，180°和270°，确定四个互不交叉和互不重叠的L形金属条的位置，L形金属条中的两金属段距旋转中心的距离不同，介质基底单元与金属板之间存在间距；本发明能够在较宽的工作频带内实现RCS降低的同时保证较薄的厚度，利于电磁波吸收体在商业系统中的应用。

Description

一种超薄超宽带电磁波吸收体
技术领域
本发明属于雷达通信的技术领域，具体涉及一种超薄超宽带电磁波吸收体。
背景技术
随着雷达探测技术的快速发展，在众多商业应用中降低雷达截面积(RCS)已经成为刻不容缓的需求，而如何在实现宽频带内电磁波的吸收成为近几十年来的重要研究课题。传统的实现RCS降低的方法有Dallenbach结构、Salisbury结构以及Jaumann结构，但是这些结构往往受限于较窄的吸收带带宽以及较厚的体积。电路模拟吸收体是一种有效的降低RCS的方法，通过谐振电路匹配介质板的阻抗特性，能在较宽的频带内实现RCS降低，但这往往会带来厚度的增加。另外，也有人利用人工磁导体或者3D结构来实现带宽的展宽和厚度的降低，但仍未能有良好的效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种超薄超宽带电磁波吸收体，能够在较宽的工作频带内实现RCS降低的同时保证较薄的厚度，利于电磁波吸收体在商业系统中的应用。
实现本发明的技术方案如下：
一种超薄超宽带电磁波吸收体，包括若干个呈矩形周期排布的方形介质基底单元、设置在介质基底单元上表面的金属单元和设置在介质基底单元下方的金属板，所述金属单元包含四个相同的L形金属条，所述L形金属条的相互垂直的两金属段内分别焊接有贴片电阻，任一L形金属条以所在方形介质基底单元中心为旋转中心，依次旋转90°，180°和270°，确定四个互不交叉和互不重叠的L形金属条的位置，L形金属条中的两金属段距旋转中心的距离不同，介质基底单元与金属板之间存在间距。
进一步地，所述金属单元和金属板的材料均为铜。
进一步地，所述介质基底单元采用介电常数为4.4，损耗正切值为0.02的FR4(环氧玻璃布层压板)材料。
进一步地，对于适用于S、C以及X波段的电磁波吸收体，介质基底单元的边长为22.5mm，金属条宽度为0.5mm，相互垂直的两金属段长度均为15.5mm，它们距离旋转中心的距离分别为6mm和9.5mm，两个贴片电阻的位置距离两金属段末端分别为7mm和7.5mm，介质基底单元与金属板之间的间距为8mm。
进一步地，设L形金属条中的两金属段距旋转中心的距离分别为d1和d2，d1＜d2，对应地，两金属段的长度分别为L1和L2，根据电磁波吸收体工作频带的频率最高点确定L1，根据电磁波吸收体工作频带的频率最低点确定L2。
附图说明
图1为本发明原理图；其中，(a)为双馈电偶极子天线示意图；(b)为馈电位置位于-d_2的单馈电偶极子天线示意图；(c)为馈电位置位于d_1的单馈电偶极子天线示意图。
图2为焊接有贴片电阻的金属条在不同谐振频率时的电流分布。
图3为改变靠近旋转中心的金属段长度时工作频带的变化。
图4为改变远离旋转中心的金属段长度时工作频带的变化。
图5为电磁波吸收体整体结构示意图。
图6为覆在介质基底上的金属单元及相关尺寸。
图7为较佳实施例的频率响应和吸收率结果图。
其中，1-介质基底，2-贴片电阻，3-L形金属条，4-泡沫层，5-金属板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明设计了一个超薄超宽带的吸收体，为了能更好的阐述本发明的原理，首先可以对一个焊接有集总电阻的金属条进行理论分析。因为电磁波吸收的本质上是入射的电磁波在金属条上产生感应电流，当该电流流过焊接在金属条上的电阻时，由于热损耗导致电磁波能量的耗散。因此，为了能让更多的电流流过电阻使得电磁波被更好地吸收，有必要对焊接有两个贴片电阻的金属条上的电流进行分析。根据互易原则，嵌有两个电阻的金属条可以等效为一个双馈电的偶极子接收天线，如图1(a)所示，其中天线长度为2l，d1和-d2分别代表馈源的位置。而在接收天线内，由平行于天线的均匀场所产生的电流，将是两个电流之和，一个具有反射天线上电流的独特形式，另一个具有发射天线上电流的独特形式。另外，根据叠加原理，此双馈源的天线可以看成两个单馈源天线的线性叠加组合，两个单馈源天线的馈源位置与双馈源天线相同，分别如图1(b)和图1(c)所示。所以，焊接有两个集总电阻的金属条上的电流分布以平行于天线的坐标轴上的坐标z为自变量，可以表达为：
Figure BDA0002259849040000031
其中，I0为发射天线电流幅度恒定值，I0 ′反射天线电流幅度恒定值，λ为波长，
Figure BDA0002259849040000032
为波数。由此可见，金属条上的电流随着电磁波频率或者波长的变化而呈现不同的分布。
(1)当入射波的波长λ为金属条长度2的2倍或者2/3时，公式(1)可以简化为：
Figure BDA0002259849040000041
此时的归一化电流分布如图2中实线和短虚线所示。
(2)当入射波波长与金属条的长度相同时，公式(1)可以简化为：
Figure BDA0002259849040000042
此时的归一化电流分布如图2中虚线所示。观察这三种频率下的电流分布可以发现，无论金属条谐振在哪个频率，两个电阻上均会流过电流。因此，如果在合适的位置焊接上集总电阻，避开电流大小为0的点，则在宽频带内都能实现电磁波的吸收，从而达到RCS降低的目的。
由于该吸收体要针对不同的工作频率实现RCS的降低，因此其工作的频带必须能够通过改变结构的尺寸调节，以满足不同的应用。本发明中设计的吸收体的工作频带主要由金属条的长度决定。由于金属条被弯折成L形以保证小型化，弯折后的两金属段的长短可以分别控制工作频带的高频和低频变化。
根据上述理论分析，本发明提供了一个适用于S、C以及X波段的电磁波吸收体的较佳实施例，其设计过程具体包括以下几个步骤：
步骤1，确定该吸收体工作频带的高频部分，其频率大小由靠近旋转中心(距离旋转中心d1)的金属段长度L1决定，如图3所示。在其他参数恒定不变的情况下，当L1增大时，工作频带内频率最低的极点fp1基本保持不变，而频率最高的极点fp4逐渐向低频移动，即工作频带的带宽逐渐减小。所以为了能达到最宽的工作频带并保证吸收性能最优，在该实施例中L1的值设为15.5mm。
步骤2，确定该吸收体工作频带的低频部分，其频率大小远离旋转中心(距离旋转中心d2)的金属段长度L2决定，d1＜d2，如图4所示。在其他参数恒定不变的情况下，当L2增大时，fp4基本保持不变，而fp1逐渐向低频移动，即工作频带的带宽逐渐增大。所以为了能达到最宽的工作频带并保证吸收性能最优，在该实施例中L2的值设为15.5mm。
综上，本发明设计了一种超薄超宽带电磁波吸收体的较佳实施例，其单元结构如图5所示，单元周期(即介质基底单元边长)p为22.5mm。该结构由三层组成，上层是厚度t为0.5mm的介质基底1，其上镀有若干个呈矩形周期排布的金属单元，每个金属单元包含四个相同的焊接有两个贴片电阻2的L形金属条3；中间层是厚度h为8mm的泡沫层4，用以支撑整个结构；底层为金属板5。如图6所示，在本实施例中，镀在介质基底1上的金属结构的尺寸为：金属条宽度w＝0.5mm，两金属段的长度分别为：L1＝L2＝15.5mm，它们距离旋转中心的距离分别为d1＝6mm，d2＝9.5mm，两个贴片电阻位置距离各自所在金属段末端分别设置为l1＝7mm和l2＝7.5mm以避开电流大小为0的点，两个贴片电阻阻值均为R＝160Ω。
最终设计的具有超薄超宽带特性的电磁波吸收体的频率响应特性图7所示，其中实线表征反射系数，点划线表征吸收率，性能如下：
(1)工作频带带宽为9.4GHz，从2.77GHz到12.17GHz，覆盖L、C和X波段，相对带宽为125.8％，在该频带内吸收率均超过90％。
(2)该结构整体厚度为8.5mm，相对于吸收带最低频率2.77GHz处的波长所对应的电尺寸为0.078倍波长。
有益效果：
本发明与现有技术相比，其显著优点为：利用简单的结构，即嵌有两个电阻的金属条上的多模谐振，有效地构造出超宽的吸收频带，相对带宽达到125.8％。另外，通过简单的调节结构的尺寸，能调整该吸收体的工作频带及带宽。于此同时，本发明的厚度最小可以达到0.083倍波长。相较于已有的电磁波吸收体性能，在带宽和厚度上有明显的提高。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超薄超宽带电磁波吸收体，其特征在于，包括若干个呈矩形周期排布的方形介质基底单元、设置在介质基底单元上表面的金属单元和设置在介质基底单元下方的金属板，所述金属单元包含四个相同的L形金属条，所述L形金属条的相互垂直的两金属段内分别焊接有贴片电阻，任一L形金属条以所在方形介质基底单元中心为旋转中心，依次旋转90°，180°和270°，确定四个互不交叉和互不重叠的L形金属条的位置，L形金属条中的两金属段距旋转中心的距离不同，介质基底单元与金属板之间存在间距。
2.如权利要求1所述的一种超薄超宽带电磁波吸收体，其特征在于，所述金属单元和金属板的材料均为铜。
3.如权利要求1所述的一种超薄超宽带电磁波吸收体，其特征在于，所述介质基底单元采用介电常数为4.4，损耗正切值为0.02的FR4材料。
4.如权利要求1所述的一种超薄超宽带电磁波吸收体，其特征在于，对于适用于S、C以及X波段的电磁波吸收体，介质基底单元的边长为22.5mm，金属条宽度为0.5mm，相互垂直的两金属段长度均为15.5mm，它们距离旋转中心的距离分别为6mm和9.5mm，两个贴片电阻的位置距离两金属段末端分别为7mm和7.5mm，介质基底单元与金属板之间的间距为8mm。
5.一种设计权利要求1所述电磁波吸收体的方法，其特征在于，设L形金属条中的两金属段距旋转中心的距离分别为d1和d2，d1＜d2，对应地，两金属段的长度分别为L1和L2，根据电磁波吸收体工作频带的频率最高点确定L1，根据电磁波吸收体工作频带的频率最低点确定L2。
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